彭旭東,馬 藝*,李英豪,孟祥鎧

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.過(guò)程裝備及其再制造教育部工程研究中心,浙江 杭州 310023）

聚氨酯彈性體具有高強(qiáng)度、高模量、高彈性、高耐磨性、耐低溫等特點(diǎn)[1],被用作密封材料廣泛應(yīng)用于氣動(dòng)、液壓系統(tǒng)等,并在苛刻特種設(shè)備的應(yīng)用中部分取代了丁腈橡膠.在航空領(lǐng)域中,橡膠密封件通常處于復(fù)雜多變的工作環(huán)境中,主要用于防止油、氣的泄漏.聚氨酯密封件在實(shí)際使用過(guò)程中一旦失效,會(huì)嚴(yán)重影響氣動(dòng)、液壓設(shè)備等的產(chǎn)品性能和使用壽命,不僅大幅了增加后續(xù)維修成本,更重要的是,在一些特殊的使用環(huán)境中,還可能導(dǎo)致致命的災(zāi)難[2-4].

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞聚氨酯橡膠的耐介質(zhì)、耐熱性開(kāi)展了相關(guān)研究.在耐介質(zhì)試驗(yàn)中,孫浩等[5]、Troev 等[6]、Khatua 等[7]開(kāi)展了水、氯氣等不同介質(zhì)下的聚氨酯浸泡老化試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)隨著浸水溫度或氯濃度的增加,聚氨酯的拉伸強(qiáng)度急劇下降.在耐熱性研究方面[8-10],通過(guò)聚氨酯耐熱老化前后的結(jié)構(gòu)變化分析,研究者發(fā)現(xiàn)聚氨酯的熱穩(wěn)定性隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低,而且熱氧降解產(chǎn)物主要是醇(多為乙醇)、羧酸和酯.上述研究結(jié)果分別考慮了耐介質(zhì)或耐熱老化前后聚氨酯的物理或化學(xué)變化,而兩者之間的關(guān)聯(lián)作用對(duì)聚氨酯性能的共同影響還值得進(jìn)一步研究.

基于航空環(huán)境工況特點(diǎn),本文開(kāi)展紅油寬溫域(-55～100 ℃)老化前后聚氨酯U001 溶脹特性和綜合力學(xué)性能的試驗(yàn)研究,分析不同老化溫度和時(shí)間下聚氨酯U001的質(zhì)量變化率、拉伸強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變特性、壓縮永久變形和硬度等的變化規(guī)律,并且進(jìn)一步結(jié)合紅外光譜,從微觀角度探究聚氨酯U001 分子鏈和官能團(tuán)的演化情況,揭示寬溫域下聚氨酯U001的紅油老化機(jī)理,為聚氨酯應(yīng)用于航空領(lǐng)域提供指導(dǎo).

1 試件制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 聚氨酯試件的制備

試驗(yàn)材料選擇聚氨酯U001,由西北橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司提供.聚氨酯U001為澆鑄型聚氨酯,具有耐低溫、耐磨減震、強(qiáng)度高等特點(diǎn),常用于航空領(lǐng)域液壓系統(tǒng)密封件等.聚氨酯U001 試件尺寸為100 mm×100 mm×2 mm,用于質(zhì)量和硬度測(cè)量.力學(xué)試驗(yàn)中的聚氨酯U001 試樣如圖1 所示.按GB/T 528-2009[11]、GB/T 7759.1-2015[12]和GB/T 7759.2-2014[13]要求,拉伸試驗(yàn)中的聚氨酯U001 試件為Ⅰ型啞鈴狀,壓縮永久變形試驗(yàn)中的聚氨酯U001 試件采用A 型圓柱體.

圖1 力學(xué)試驗(yàn)所用試樣

1.2 老化試驗(yàn)參數(shù)及操作流程

為了使老化試驗(yàn)具備規(guī)范性和準(zhǔn)確性,按照GB/T 1690-2010[14]開(kāi)展聚氨酯U001 耐油介質(zhì)試驗(yàn).老化介質(zhì)選取15號(hào)航空液壓油(紅油).15 號(hào)航空液壓油具有較好的純凈度、低溫流動(dòng)性和抗氧化性,主要應(yīng)用于飛機(jī)起落架、減速板等航空領(lǐng)域的液壓設(shè)備.

試件在自由狀態(tài)下懸掛于盛有15 號(hào)航空液壓油的燒杯中,將燒杯放入老化箱并設(shè)定老化溫度,換氣頻率設(shè)置為8 min·次-1.在老化達(dá)到規(guī)定時(shí)間后,將試件取出,并用汽油及無(wú)水乙醇清洗,按照國(guó)標(biāo)規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(室溫(23±2)℃,濕度50%±10%)放置30 min,用濾紙拭干并裝袋備用(含干燥劑).

按照GB/T 2941-2006[15]和應(yīng)用環(huán)境工況,在-55～100 ℃范圍內(nèi)選用7個(gè)老化溫度,各老化溫度下在1～35 d范圍內(nèi)選用7個(gè)老化時(shí)間,開(kāi)展聚氨酯U001 紅油老化試驗(yàn).選取橡膠豆壓縮率為10%和15%的限制變形器.

1.3 測(cè)試方法及設(shè)備

采用瑞士進(jìn)口的Mettler Toledo ME104 電子分析天平在標(biāo)準(zhǔn)室溫下對(duì)聚氨酯U001的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試,精度為±0.1 mg.

按照GB/T 528-2009[11]對(duì)杠鈴狀試件開(kāi)展聚氨酯U001 拉伸性能測(cè)試,拉伸試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度選為500 mm·min-1,測(cè)量聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度(ITS)和拉斷伸長(zhǎng)率(Eb),具體計(jì)算公式為:

式中:Fm為拉伸時(shí)的最大力;W為裁刀寬度;t為試件厚度;Lb為試件斷裂時(shí)長(zhǎng)度;Lo為試件初始長(zhǎng)度.

根據(jù) GB/T 7759.1-2015[12]和 GB/T 7759.2-2014[13],將A 型圓柱體聚氨酯U001 試件壓縮至限制器對(duì)應(yīng)高度,并在卸載后,測(cè)量試件恢復(fù)后的高度,得到聚氨酯U001 試件的壓縮永久變形C,計(jì)算公式為:

式中:ho為試件初始高度;hl為試件卸載后高度;hs為限制器對(duì)應(yīng)高度.

聚氨酯U001 老化前后化學(xué)分子結(jié)構(gòu)采用美國(guó)賽默飛世爾科技6700 傅里葉變換全反射紅外光譜儀(ATR-FTIR)測(cè)試分析,掃描范圍為400～4 000 cm-1,分辨率為1.5 cm-1.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量變化率

不同老化溫度和時(shí)間下聚氨酯U001的質(zhì)量變化率如圖2 所示.由圖2 可以看出,聚氨酯U001的質(zhì)量變化率隨老化溫度升高而不斷增加.在一定的老化時(shí)間下,以老化35 d為例,聚氨酯U001的質(zhì)量變化率由老化溫度-55 ℃時(shí)的1.73%增至老化溫度100 ℃時(shí)的12.88%,其產(chǎn)生原因與紅油浸泡老化時(shí)油分子逐漸侵入聚氨酯內(nèi)部有關(guān).隨著老化溫度的增加,油分子運(yùn)動(dòng)更加活躍,侵入橡膠內(nèi)部的能力也增強(qiáng),聚氨酯發(fā)生內(nèi)部溶脹[16].

圖2 聚氨酯U001 質(zhì)量變化率時(shí)變曲線

當(dāng)老化溫度為-40 ℃和-55 ℃時(shí),聚氨酯U001的質(zhì)量變化率隨老化時(shí)間變化較小,最大變化幅度僅0.68%;而當(dāng)老化溫度增至-25 ℃和23℃時(shí),聚氨酯U001 質(zhì)量變化率隨老化時(shí)間增長(zhǎng)明顯,最高可達(dá)5%,但變化梯度逐漸減小;當(dāng)老化溫度≥55 ℃時(shí),聚氨酯U001的質(zhì)量變化率增幅更為平緩.究其原因,聚氨酯的吸油速率隨著老化溫度增加而逐漸加快,使得聚氨酯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞,網(wǎng)格間隙增大.在紅油老化過(guò)程中,聚氨酯內(nèi)部溶脹的同時(shí),伴隨著分子鏈的斷裂破壞.隨著老化過(guò)程的進(jìn)行,油分子的侵入作用逐漸與分子鏈的斷裂破壞趨近于平衡,因此,聚氨酯U001的質(zhì)量變化率隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸平穩(wěn).

2.2 拉伸強(qiáng)度

聚氨酯U001 老化前后拉伸強(qiáng)度的時(shí)變曲線如圖3 所示.由圖可見(jiàn),隨著老化溫度的升高和老化時(shí)間的延長(zhǎng),聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì).以老化時(shí)間35 d為例,聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度由-55 ℃時(shí)的22.78 MPa 降至100 ℃時(shí)的4.54 MPa.對(duì)于同個(gè)老化溫度來(lái)說(shuō),零下溫度(-55～-25℃)時(shí),聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度在老化14 d之后下降幅度開(kāi)始增加,在老化14～35 d 內(nèi)分別下降了0.97、2.21、6.04 MPa.當(dāng)老化溫度在23～70 ℃時(shí),老化1～35 d 內(nèi)聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度下降速率較均勻,分別下降了5.56、5.08、5.07 MPa.高溫100℃老化時(shí),聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度迅速下降,尤其是在老化3～14 d 內(nèi)變化明顯,下降幅度達(dá)9.68 MPa.

圖3 聚氨酯U001 拉伸強(qiáng)度時(shí)變曲線

這是因?yàn)楦叻肿泳酆衔锏奈⒂^斷裂主要由其分子內(nèi)的化學(xué)鍵、分子間的范德華力和氫鍵決定[17].在紅油的老化過(guò)程中,一方面,油介質(zhì)和熱的共同作用使得聚氨酯橡膠內(nèi)部分子鏈之間的作用力減弱[18];另一方面,油分子的侵入使得聚氨酯內(nèi)部原始?xì)堄鄳?yīng)力逐漸被消除.因此在老化前期,聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度下降趨勢(shì)并不明顯.隨著老化時(shí)間和溫度的增加,聚氨酯U001 內(nèi)分子鏈斷裂的情況逐漸加劇,特別是油溫升至100 ℃時(shí),受斷裂破壞機(jī)制影響,聚氨酯U001 內(nèi)部缺陷明顯增多,應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸突出,進(jìn)而導(dǎo)致聚氨酯U001的拉伸強(qiáng)度驟降.

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變特性

應(yīng)力—應(yīng)變曲線反映了材料在外力作用下發(fā)生的脆性、塑性、屈服、斷裂等過(guò)程.依據(jù)不同的應(yīng)力-應(yīng)變特征,聚合物材料分別呈現(xiàn)硬而脆、硬而韌、硬而強(qiáng)、軟而韌以及軟而弱5 種力學(xué)性能特征[19].

圖4為老化35 d 不同溫度和70 ℃不同老化時(shí)間下聚氨酯U001的應(yīng)力—應(yīng)變曲線.由圖4(a)可以看出,當(dāng)老化溫度小于70 ℃時(shí),不同溫度下各應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率基本一致,但隨著溫度的升高,聚氨酯U001 拉伸斷裂應(yīng)力及應(yīng)變逐漸減小,由老化溫度-55 ℃時(shí)的應(yīng)力22.73 MPa、應(yīng)變528.74%降至老化溫度55 ℃時(shí)的應(yīng)力16.46 MPa、應(yīng)變400.63%,此時(shí)聚氨酯U001 符合硬而強(qiáng)的特征.當(dāng)老化溫度為70 ℃時(shí),聚氨酯U001 拉伸斷裂應(yīng)力下降,而應(yīng)變?cè)黾?聚氨酯U001 拉伸斷裂應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诶匣瘻囟葹?00 ℃時(shí)均為最小,而且應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率遠(yuǎn)小于其他老化溫度下的曲線斜率,此時(shí)U001 表現(xiàn)出軟而韌的特征.

圖4 聚氨酯U001 老化應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖4(b)可以看出,在一定老化溫度(70 ℃)下,聚氨酯U001 拉伸斷裂應(yīng)力隨老化時(shí)間的增加而不斷減小.拉伸斷裂應(yīng)變先隨老化時(shí)間增加而減小,之后在老化時(shí)間≥7 d 后轉(zhuǎn)而增加.在老化溫度70℃、老化35 d 時(shí),聚氨酯U001 拉伸斷裂應(yīng)力為16.15 MPa,應(yīng)變?yōu)?47.30%,此時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率最小,聚氨酯U001 也趨向于軟而韌的特征.

出現(xiàn)上述變化的主要原因是受熱、氧聯(lián)合作用,聚氨酯U001 紅油老化過(guò)程中出現(xiàn)降解和氧化反應(yīng).由于靠近醚鍵的碳原子極易形成氫過(guò)氧化物而導(dǎo)致氧化,聚氨酯的耐熱氧老化性能較差,其熱氧降解過(guò)程通過(guò)自由基反應(yīng)進(jìn)行.醚鍵的α 碳上激發(fā)出一個(gè)H 原子后生成的仲碳自由基,與氧形成氫過(guò)氧化物,之后分解成羥基自由基、烷基自由基和烷氧基自由基(圖5).所以,當(dāng)老化溫度小于70 ℃時(shí),隨著老化溫度的延長(zhǎng),油分子不斷侵入聚氨酯內(nèi)部,應(yīng)力-應(yīng)變性能主要受到老化溫度的影響而不斷下降.當(dāng)老化溫度為70 ℃時(shí),油分子更加活躍,侵入聚氨酯的速率加快,同時(shí)聚氨酯內(nèi)部介質(zhì)析出速率也加快,使得聚氨酯硬度下降而韌性上升.但當(dāng)老化溫度為100 ℃時(shí),聚氨酯分子鏈分解過(guò)多,橡膠內(nèi)部缺陷加劇,拉伸時(shí)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,拉伸斷裂應(yīng)力值迅速下降.

圖5 聚氨酯老化降解過(guò)程[5]

2.4 壓縮永久變形特性

圖6為2 種壓縮率不同老化溫度和時(shí)間下的聚氨酯U001 壓縮永久變形的變化曲線.以老化35 d為例,聚氨酯U001 壓縮永久變形變化具體數(shù)值見(jiàn)表1 所示.

表1 老化35 d 不同溫度下聚氨酯U001 壓縮永久變形

圖6 聚氨酯U001 壓縮永久變形時(shí)變曲線

由圖6 可以看出,2 種壓縮率(10%和15%)下聚氨酯U001 壓縮永久變形隨老化溫度和時(shí)間變化的規(guī)律基本相同,而且老化溫度越高,聚氨酯U001壓縮永久變化率增長(zhǎng)幅度越大.結(jié)合表1 可知,老化35 d時(shí),當(dāng)溫度小于等于常溫23℃時(shí),紅油老化對(duì)聚氨酯U001的壓縮永久變形率的影響相對(duì)較小,均小于20%;而當(dāng)溫度大于常溫23℃時(shí),聚氨酯U001 壓縮永久變化率隨老化溫度增加而迅速增加,在老化溫度100 ℃時(shí)增至117.44%.在同一老化溫度下,聚氨酯U001 壓縮永久變化率隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)總體上呈增加趨勢(shì).以壓縮率15%為例,老化1～35 d的壓縮永久變化率在老化溫度小于等于常溫時(shí),最大變化率僅在5%左右,在老化溫度55 ℃和70 ℃時(shí)分別變化近20%和42%,但在老化溫度為100 ℃時(shí),壓縮永久變形率變化僅19.35%.

這是因?yàn)樵趬嚎s狀態(tài)和應(yīng)力影響下,聚氨酯內(nèi)部分子自由基的重組和熱氧化產(chǎn)物的形成明顯受限.另外,受紅油及氧化等作用,聚氨酯內(nèi)部介質(zhì)分子鏈和氫鍵斷裂,抗氧化性能下降,且抵抗壓縮永久變形的能力降低,使得橡膠難以恢復(fù)原始狀態(tài).當(dāng)老化溫度小于55 ℃時(shí),分子運(yùn)動(dòng)較慢且活性較低,導(dǎo)致氧化速度較慢,對(duì)聚氨酯壓縮永久變形率的影響較小.隨著老化溫度增至55 ℃和70 ℃時(shí),聚氨酯內(nèi)部分子活性增大,分子鍵斷裂加劇,聚氨酯壓縮永久變形率增加.當(dāng)老化溫度為100 ℃時(shí),因壓縮永久變形率在老化3 d 時(shí)已接近最大值,其變化梯度轉(zhuǎn)而變小.

2.5 硬度

硬度能夠反映材料抵抗硬度計(jì)探頭壓入的性能.圖7為不同老化溫度下聚氨酯U001 邵爾A 硬度變化率時(shí)變曲線.由圖7 可以看出,在同一老化溫度下,當(dāng)老化溫度≤70℃、老化1～35 d 時(shí),聚氨酯U001的硬度變化率最大變化僅為0.79%;當(dāng)老化溫度為100 ℃、老化1～21 d 時(shí),聚氨酯U001的硬度變化率僅降低了0.12%,而在21～35 d 時(shí),急速下降了4.54%.在老化時(shí)間為35 d 下,老化溫度為-55 ℃和-40 ℃時(shí),聚氨酯U001 硬度變化率較老化前略有下降,最大下降率為0.60%;老化溫度23～70 ℃時(shí),聚氨酯U001 老化后的硬度變化率最高上升2.10%,且在該范圍內(nèi)溫度越高,U001 紅油 老化的硬度變化率越大.

圖7 聚氨酯U001 邵爾A 硬度變化率時(shí)變曲線

主要原因是零下溫度老化時(shí),因?yàn)椴牧系姆肿渔溄宦?lián)作用加劇,聚氨酯的硬度變化率隨著老化溫度的升高而增大.而在常溫和高溫老化時(shí),一方面由于分子鏈交聯(lián)作用致使材料更為緊密,另一方面由于U001 耐熱性能差,隨紅油老化過(guò)程中油分子的逐漸侵入,聚氨酯橡膠分子鏈間距和活動(dòng)范圍增大、體積膨脹,在兩者共同作用下,聚氨酯硬度變化率并無(wú)明顯變化規(guī)律.當(dāng)油溫大于100℃時(shí),聚氨酯硬度變化率下降明顯,這是因?yàn)槭芨邷睾脱趸饔?聚氨酯內(nèi)部分子交聯(lián)密度變小,油分子侵入作用增大,導(dǎo)致橡膠硬度下降速度加快.

選取老化溫度為70 ℃,聚氨酯U001 綜合力學(xué)性能數(shù)據(jù),由表2 可以看出,當(dāng)老化溫度為70 ℃時(shí),老化1～35 d 內(nèi),聚氨酯U001的質(zhì)量變化率、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率以及拉斷永久變形率的變化幅度均在7%～35%之內(nèi),而壓縮永久變形率增幅超過(guò)100%,即聚氨酯U001 壓縮永久變形性能受老化影響嚴(yán)重.在老化溫度為70 ℃、壓縮率分別為10%和15%時(shí),聚氨酯U001 老化7 d 左右時(shí)的壓縮永久變形率分別達(dá)到了47.76%和52.61%.根據(jù)GB/T 20028-2005[20]中的失效臨界值—-變化率50%,此時(shí)聚氨酯U001的壓縮永久變形已臨近失效.由此可見(jiàn),聚氨酯U001 在70 ℃紅油環(huán)境下僅能短時(shí)間工作.

表2 70 ℃老化不同時(shí)間的聚氨酯U001 力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.6 紅外光譜分析

紅外光譜圖是解釋聚氨酯氫鍵化特征、體現(xiàn)官能團(tuán)的鍵力常數(shù)改變的基礎(chǔ).圖8為老化35 d、不同老化溫度下聚氨酯U001 紅外光譜圖.結(jié)合聚氨酯內(nèi)部存在的官能團(tuán)類(lèi)型,胺基區(qū)(波數(shù)為3 100～ 3500 cm-1)、羰基區(qū)(波數(shù)為1 600～1 800 cm-1)和醚鍵區(qū)(波數(shù)為1 000～1 100 cm-1)是氫鍵化研究最感興趣的譜區(qū)[21].

圖8 老化35 d 時(shí),不同溫度下聚氨酯U001 傅里葉 變換衰減全反射紅外光譜

在胺基區(qū),波數(shù)3 287 cm-1附近是與氨酯C=O氫鍵化的NH,老化溫度為-40 ℃、-55 ℃和55 ℃時(shí),氫鍵數(shù)量居前三,而老化溫度為70 ℃和100 ℃時(shí)的氫鍵數(shù)量明顯比其他溫度少,在宏觀上表現(xiàn)出老化溫度70 ℃和100 ℃時(shí)聚氨酯的拉伸強(qiáng)度和抗壓縮永久變形性能較差.在羰基區(qū),波數(shù)1 728 cm-1處峰為游離的C=O,波數(shù)1 713 cm-1處峰為不完整氫鍵化的C=O,波數(shù)1 692 cm-1處峰為氨酯之間氫鍵化的C=O[22].可以看出,老化溫度從-55 ℃增至100 ℃時(shí),氫鍵數(shù)量逐漸降低,特別是老化溫度100 ℃時(shí),不完整氫鍵化的C=O 和氨酯之間氫鍵化的C=O 直接未出現(xiàn);老化溫度70 ℃時(shí),無(wú)氨酯之間氫鍵化的C=O.這也是在老化溫度70 ℃和100 ℃時(shí),聚氨酯宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)較差及更差的主要原因.在醚鍵區(qū),醚鍵的伸縮振動(dòng)是位于1 098 cm-1處的強(qiáng)吸收譜帶.老化溫度越高,其對(duì)應(yīng)數(shù)值和氫鍵數(shù)量越小,聚氨酯力學(xué)性能宏觀表現(xiàn)越差,這也同樣表征了老化溫度對(duì)聚氨酯材料性能影響的顯著性[23].總體而言,隨著老化溫度從-55 ℃升高至100 ℃,聚氨酯內(nèi)部氫鍵數(shù)量越來(lái)越少.老化溫度為100 ℃時(shí),3個(gè)光譜區(qū)氫鍵數(shù)量達(dá)到最小值,與之對(duì)應(yīng)的聚氨酯硬度、拉伸強(qiáng)度和壓縮永久變形性能也最差.因此,老化溫度是影響聚氨酯材料力學(xué)性能的主要因素之一.

圖9 是老化溫度70 ℃、不同老化時(shí)間下的聚氨酯U001 紅外光譜圖.可以看出,在同一老化溫度(70 ℃)下,老化7 d 時(shí)的胺基區(qū)峰值最大,對(duì)應(yīng)的氫鍵也越多,老化1 d、14 d 和28 d 時(shí),胺基區(qū)峰值基本重合,氫鍵數(shù)量基本相等,而老化35 d 時(shí)的胺基區(qū)峰值最小,氫鍵數(shù)量也最少.對(duì)于羰基區(qū)來(lái)說(shuō),羰基區(qū)峰值和氫鍵數(shù)量均隨老化時(shí)間的增加而逐漸減小.對(duì)于醚鍵區(qū)來(lái)說(shuō),老化時(shí)間1 d時(shí)的氫鍵數(shù)量最多,其次是7 d,最少是28 d.總體而言,聚氨酯3個(gè)光譜區(qū)內(nèi)的氫鍵數(shù)量隨老化時(shí)間延長(zhǎng)而減少,宏觀上表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度、硬度和壓縮永久變形性能等力學(xué)性能變差.所以,老化時(shí)間也是影響聚氨酯力學(xué)性能變化的因素之一.在航空領(lǐng)域使用時(shí),聚氨酯材料應(yīng)避免其接觸過(guò)高溫度,并需及時(shí)更換材料,以保證聚氨酯材料性能和使用壽命.

圖9 70 ℃老化不同時(shí)間下,聚氨酯U001 傅里葉 變換衰減全反射紅外光譜

3 結(jié)論

本文針對(duì)聚氨酯U001 材料紅油寬溫域老化特性開(kāi)展研究,分析不同老化溫度和時(shí)間下聚氨酯U001 老化前后質(zhì)量變化率、拉伸強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變特性、壓縮永久變形等力學(xué)性能,并從紅外光譜圖中聚氨酯官能團(tuán)的變化探究聚氨酯U001 老化失效機(jī)理.

(1)聚氨酯U001 老化后發(fā)生溶脹現(xiàn)象,質(zhì)量變化率隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)以及老化溫度的升高而逐漸增加,聚氨酯硬度變化率在老化溫度為100 ℃、21～35 d 時(shí)出現(xiàn)驟降.

(2)受熱、氧共同作用,聚氨酯U001 經(jīng)紅油老化后的拉伸性能及壓縮永久變形性能均隨老化時(shí)間和溫度的增加而不斷變差,內(nèi)部氫鍵數(shù)量逐漸減小,聚氨酯由“硬而強(qiáng)”轉(zhuǎn)為“軟而韌”.

(3)建議聚氨酯U001 在溫度≤55 ℃時(shí)可長(zhǎng)期使用,在使用溫度為70 ℃時(shí)僅可短時(shí)間使用,在100 ℃及以上溫度時(shí)禁止使用.